摘 要 在轨道交通快速发展的今天，盾构法已成为当前隧道建设最重要的施工技术。传统的单模式盾构已满足不了当前的施工需要，双模式盾构的出现，突破了单模式盾构对地层的施工局限，为更高效、安全的施工提供了重要设备保障。本文通过南宁市轨道交通5号线五一立交站~新秀公园站区间复杂多变的地层环境，介绍泥水-土压双模式盾构施工工艺，以供类似工程提供参考。
关键词 双模盾构 盾构法施工 地铁施工 复合地层
1 工程概况
1.1工程概况
南宁市轨道交通5号线一期工程（国凯大道-金桥客运站）施工总承包02标【五~新区间】右线采用双模盾构机（中铁685号）掘进，隧道长度2098.086m，线路平面布置图见图1：
.png)
图1 线路平面布置图
1.2工程地质
区间右线隧道主要穿越的地层为③2粉土、④1-2粉细砂层、⑤1-1圆砾层和⑦1-2、⑦1-3粉砂质泥岩，其中江中段洞身所在地层主要是⑦1-2、⑦1-3粉砂质泥岩，隧顶的地层主要为
⑤1-1圆砾层和⑦1-2、⑦1-3粉砂质泥岩。
1.3工程水文
工程影响范围内的地下水主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和基岩裂隙水。区间邕江段施工河床宽约600m，深约27m，平均水面宽400m，江底分布一定厚度淤泥，下伏半成岩的粉砂质泥岩，泥质粉砂岩，隧道结构从该半成岩岩层中通过，该层透水性弱，邕江与区间隧道所穿越圆砾地层存在水力联系。
2盾构设备主要改造
2.1气垫仓设计
盾构机除采用直排式泥水盾构机技术外，另增设气垫仓，以有效缓冲土仓内压力波动，以优化直排式压力波动大问题。土仓和气垫仓采用两个连通管，保证土仓内压力传入气垫仓，通过气垫仓保压系统控制气垫仓内液位，进而保证压力平衡。土仓和气垫仓能联通循环，又能单独循环，气垫仓单独循环为洗气垫仓过程（此过程循环不进土仓）。
.png)
图3 气垫仓设计
2.2排浆管和螺机位置设计
盾构机泥水环流系统排浆模式采用直排式方式，吸口在底部土仓隔板上，相比直排式泥水盾构机和土压盾构机，双模盾构机在排浆系统进行如下调整：相对于常规直排式泥水盾构，排浆口高度提高了148mm（由原来281mm抬升至429mm）；双模盾构机螺机位置、高度与土压盾构一致，并将周边主动搅拌棒与隔板之间的间隙增大了55mm。
针对泥水出渣可能出现的不利影响，主要设备在设计上进行了部分结构优化,主要以下三个方面：
①增加了两根不同轨迹的搅拌棒1和搅拌棒2，增加土仓底部搅拌的频率，降低渣土堆积的概率；
②在排浆口上增加疏通口，在排浆口出现堵塞时可以利用高压水或者疏通杆进行疏通；
③主排浆口由原来一用一备口（主排口在底部，备用口在偏上右侧）改成两个主排口（螺机两侧），两个排浆口不再是一用一备关系。
3双模式转换思路
【五新盾构区间】右线始发至460环，因隧道埋深浅、地表为复杂建筑物群、穿越地层为软土地层，对沉降控制要求高，泥水模式最宜；460~860环过江期间施工地质为全断面泥岩，泥水掘进易造成渣土土仓滞排，掘进功效低，此地层稳定型好，为不透水层土压模式掘进效率高；861 环至1380环，主要为富水圆砾地层，土压模式易螺机闸门喷涌，泥水模式安全和效率高。综上，盾构在1~460环下穿建筑物段施工期间采用泥水模式掘进，为确保施工安全、熟悉设备操作460~480环各采用土压模式、泥水模式各掘进10环，481~861邕江段施工期间采用土压模式掘进，861~1300环采用泥水模式掘进，1301~1330环复合地层（试验段）采用土压模式，1331~1399环采用泥水模式掘进。
4 双模式转换流程
双模盾构模式切换流程详见下图所示：
图7 泥水转土压模式切换流程
.png)
图8 土压转泥水模式切换流程
5 关键施工技术
5.1 泥水切换土压模式施工
5.1.1施工准备
1）设备材料准备：膨润土系统、泡沫系统、皮带机调试运转、渣车编组准备到位；门吊安装等需完成。泡沫和膨润土管路要提前疏通完成，特别是到土仓和刀盘管路必须疏通并做记录，保证正常使用。
2）技术准备：参与模式转换人员交底完成。为保证模式转换安全质量，首次模式转换应在盾构制造厂家指导下完成，主要是针对环流系统各种管路及模式转换步骤进行指导。
复合地层模式转换时，在盾构机模式转换位置前5环开始加大同步注浆量，初凝时间控制在6小时以内，且保证同步注浆压力不得大于地层压力的1.3倍。在加大同步注浆量的同时，加大盾尾油脂的注入量，避免注浆压力过大流入盾尾导致盾尾密封失效，在盾尾后3环利用管片上的吊装孔开孔进行水泥-水玻璃浆液的补注，以保证壁后注浆的填充密实度，避免盾尾后的地下水流入刀盘前侧。
5.1.2施工技术
1）当掘进里程达到泥水转换土压模式位置时，停止掘进，用低于1.2 t/m3比重泥浆清洗土仓内部渣土，尽最大可能排出土仓内渣土，为打开螺机前闸门做准备。土仓渣土清理完成后，通过气垫仓仓内循环，清洗气垫仓。土仓和气垫仓清洗完毕后，泥水模式切换至旁通模式，清洗泥浆管管路渣土，待泥水分离设备二级旋流器筛板无渣土排出，视为泥浆管路渣土全部排出。目的是在长期不用泥水模式掘进时，进排浆管内无渣土沉淀，为下次泥水模式掘
进做准备。
2）螺旋机预留了膨润土、聚合物等注入接口，泥水转土压模式时可向螺旋机内注入惰性砂浆，以缓解螺旋机的喷碴压力。
.png)
图11 环流系统旁通循环示意图 图12 进浆管做排浆管示意图
3）管路清洗完毕后，关闭环流系统，关闭气垫仓内V67,V68联通管液压闸阀，关闭F23,F24气动闸阀，保证气垫仓和土仓完全隔离，关闭保压系统，观察土仓和气垫仓压力变化1小时。土仓压力保持P±0.1bar，当1小时内压力变化不大于0.1bar释放气垫仓气压，对气垫仓的空气质量进行检测，确保无有害气体和空气置换正常，做好气体检测，保证施工安全。打开气垫仓门，人员进入气垫仓内部，关闭V67,V68联通管手动板阀。并检查V67,V68联通管关闭情况，观察联通管出口无浆液流出视为连通管关闭成功。
4）泥水旁通循环模式，开启泥水循环旁通模式，检查螺旋输送机后闸门密封情况，确定密封良好后，打开土仓内螺机前闸门。在旁通模式下，盾构机按照0.5rpm/min 的转速，缓慢推进（推进速度不超过 20mm/min），伸出螺机轴，开始进行土仓堆渣。随着推进的缓慢进行，渣土不断堆积，为避免土仓压力的升高，需排出土仓中原有的泥浆，因此打开土仓进浆球阀 F11，将进浆管当做排浆管进行土仓排浆，利用旁通模式将泥浆带出。注意观察土仓压力，使掘进速度与排浆速度相匹配， 稳定土仓压力。
5）随着盾构缓慢推进，土仓中渣土堆积越来越高，预估已经堆积的渣土量已经到达进浆口时， 打开上部液位探测管， 如果没有浆液流出（如果有浆液流出，现场技术人员需要判断是否适合土压推进），停止推进，关闭球阀 F11，停止运行泥水循环系统。环流系统停止后，可以通过隔板上土仓联通管、进浆口、排浆口上预留的疏通支口注入盾尾油脂，对上述管路进行填充，减小土压模式下管路堵塞的概率。
打开螺旋输送机后闸门，运行螺旋输送机、皮带机，开始运行土压模式缓慢出渣推进，待运转稳定后，即可进行正常推进。要注意：观察螺旋输送机出土口渣土状态，刚置换完成后渣土状态可能处于流塑状，会出现短暂的喷涌现象，如果喷涌严重需继续渣土堆积，直到适合土压掘进。
5.2 土压切换泥水模式施工
5.2.1施工准备
1）设备准备：盾构掘进施工配套设备主要为分离设备、压滤设备、离心机、垂直运输（龙门吊）、隧道内部中继泵、洞内水平运输（电瓶机车编组）等，配套设施均达到良好条件。隧道内泥浆管路连接良好并畅通。
2）参与模式转换人员交底完成。
6.2.2施工技术
1）当掘进里程达到土压转换泥水模式位置时，停止掘进，准备模式切换。为增强渣土被泥浆置换过程中土仓气密性，停机之前，可以适当增加土仓膨润土注入，不仅增强渣土的流动性，更可以在掌子面形成一层薄泥膜。泥水模式启动前，必须保证环流系统所有设备联动正常。
2）疏通进土仓内进出浆管、土仓和气垫仓联通管，检查气垫仓液位传感器，并气垫仓内加水试液位传感器准确度。刀盘原地缓慢搅拌，并启动螺旋输送机，转速 2-3rpm/min，打开螺旋输送机下闸门，慢慢出土，此时要特别注意观察土仓压力变化，土仓压力保持P±0.1bar。土仓渣土下降的过程中，可通过打开进浆管F11向土仓加入泥浆，可保证仓压稳定。在土仓内剩余渣土量约为预估量的 1/3 时（根据刀盘扭矩及出渣量判断），螺旋输送机停止转动，关闭螺旋输送机后闸门，收回螺机，并检查后闸门密封情况。
3）转动刀盘0.8rpm/min，使仓内底部渣土与泥浆充分混合，关闭螺机前闸门（此时底部使泥浆容易关闭闸门），利用逆洗模式，完成渣浆置换。人员进入气垫仓内缓慢打开V67,V68联通管路上手动闸阀，观察气垫仓液位变化，以此确定气压联通管路是否通畅，并确认土仓和气垫仓联通管液动闸阀关闭良好。
4）关闭气垫仓门，根据土仓压力设置气垫仓内SAMSON系统气压，泥水循环切换至正常掘进模式掘进。
5.3 模式转换注意事项
1、泥水转土压模式，需要在主机室内部使用远程按钮关闭土仓和气垫仓左右联通管液动闸阀（V67和V68），两板阀处于气垫仓上部高压气覆盖，不易损坏，关闭此阀后，切除气垫仓和土仓联通，保证气垫仓能常压打开进入关闭手动板阀和疏通管路等作业，土压模式掘进时，气垫仓暂时不使用。如在模式转换过程中V67和V68液动闸阀关闭失效，需要人员带压进入气垫仓手动关闭闸阀，切断气垫仓和土仓联通。
2、泥水转土压模式时，根据螺旋输送机土仓内前闸门设计，转换时需打开前闸门。由于前闸门在泥水模式时，长期不用，会出现闸门打不开风险。闸门打开前，先用环流系统清洗仓内，保证仓内积累渣土少，再打开前闸门。如发现前闸门无法打开，可向土仓内注入分散剂，浸泡24小时后，再次利用泥水模式循环洗仓，洗仓完毕后，尝试打开前闸门。如发现前闸门还是无法打开，需要带压进仓作业，清理前闸门附近渣土，保证前闸门顺利开启，此作业需按照进仓方案执行。
3、渣土改良，泥水转土压旁通模式推进时土仓环流已经停止，只是进浆管在慢慢回浆，泥浆流动性较差。为防止刀盘凝结泥饼发生，需进行渣土改良。可通过6路泡沫管路向刀盘前方注入泡沫，当刀盘扭矩上升4000kN.m时，可停止旁通掘进并向土仓加入澎润土以降低刀盘扭矩。
7 结语
受工程线路地质条件及工期影响，单一盾构掘进模式下已满足不了城市轨道交通建设的快速发展。南宁地铁5号线【五~新区间】右线通过采用泥水-土压双模式盾构掘进，实现一键模式切换，在施工中充分发挥了适应性强、抗风险性能高、掘进效率快的优势。具体来说，主要针对复杂地质、软土段和硬岩段，施工过程中无更换盾构条件，此时采取双模式盾构掘进施工，则可顺利通过困难段掘进施工，保证工期目标得以实现，此工法对类似工程施工具有借鉴意义。s